Le décalage vers le rouge est un phénomène fondamental en astronomie : la lumière des objets distants nous parvient avec une longueur d'onde accrue. La cause principale est l'expansion de l'espace lui-même, qui « étire » les photons au cours de leur voyage. Le degré de décalage est noté z et calculé par la formule z = (λobservé − λémis)/λémis. Pour un éloignement lent, z est approximativement égal au rapport de la vitesse de la galaxie à la vitesse de la lumière, mais à grande vitesse, la formule relativiste est requise. Les observations du décalage vers le rouge des galaxies ont conduit à la découverte de l'expansion de l'Univers et de l'énergie sombre.
Histoire
De 1912 à 1917, Vesto Slipher effectua les premières mesures des vitesses radiales des nébuleuses, enregistrant principalement un décalage vers le rouge. Alexandre Friedmann en 1922 dériva théoriquement les équations d'un Univers en expansion. Edwin Hubble en 1929 publia la relation « décalage vers le rouge – distance », jetant les bases de la cosmologie moderne. En 1998, les équipes d'Adam Riess et de Saul Perlmutter, en observant des supernovae de type Ia, découvrirent l'expansion accélérée, menant au concept d'énergie sombre.
Comment ça marche
Le décalage cosmologique se produit lorsqu'un photon se déplace dans un espace en expansion : pendant que le photon se propage, le facteur d'échelle de l'Univers augmente, entraînant une augmentation proportionnelle de sa longueur d'onde. Ce processus est décrit par les équations de Friedmann. Dans les champs gravitationnels faibles, le décalage gravitationnel prédit par Einstein se manifeste et a été vérifié expérimentalement (expérience de Pound et Rebka). L'effet Doppler explique le décalage vers le rouge pour une source s'éloignant localement, mais aux distances cosmologiques, l'interprétation en termes de vitesse d'éloignement est ambiguë à cause de la courbure de l'espace.
En pratique
En mesurant le décalage vers le rouge, les astronomes déterminent les distances des galaxies, leur vitesse d'éloignement et calculent l'âge de l'Univers ; il a également indiqué une expansion accélérée.
Anecdote
Si l'Univers se contractait, nous observerions un décalage vers le violet. Les galaxies les plus lointaines ont z ≈ 11, ce qui signifie que leur lumière est étirée plus de 12 fois.
Les géantes rouges au centre de la Voie lactée ressemblent à des phares lointains qui s'embrasent puis s'éteignent. Leur lumière traverse une poussière dense, mais les méthodes habituelles de mesure des distances échouent ici : les étoiles sont trop brillantes et instables, et la poussière déforme l'image.
Le compteur de vitesse des galaxies s'affole. Les étoiles externes tournent si vite que, selon toutes les lois de la gravitation, elles devraient s'échapper, comme des éclaboussures d'une roue.
La galaxie NGC 5584 est une immense cité stellaire, où certains quartiers sont en construction tandis que d'autres sont déjà marqués par de vieux géants. Pour voir les uns et les autres, les astronomes ont utilisé deux « lampes de poche » très différentes.
Un feu lointain dans le brouillard paraît minuscule et rougeâtre — on croirait qu'il est à des kilomètres. Mais voilà que le feu se déplace sur le côté, et l'on comprend : c'est un cycliste à vingt pas, dont la lumière arrière est presque éteinte.
Six coureurs sprintent sur la piste, et les juges mesurent leur vitesse sans remarquer le vent arrière. Le vent souffle dans leur dos, et les chronomètres affichent un meilleur résultat que la réalité.
La lumière qui s'éloigne d'un corps massif perd de sa vigueur. Sa fréquence diminue légèrement, sa couleur vire au rouge. Les physiciens appellent cela le décalage vers le rouge gravitationnel. En théorie classique, tout est clair, mais dès qu'on parle de quanta, les ennuis commencent.
La lumière qui s'éloigne d'un corps massif perd de sa vigueur. Sa fréquence diminue légèrement, sa couleur vire au rouge. Les physiciens appellent cela le décalage vers le rouge gravitationnel. En théorie classique, tout est clair, mais dès qu'on parle de quanta, les ennuis commencent.
Lorsque la lumière s'éloigne d'un corps massif, elle perd de l'énergie : ses ondes s'étirent, sa couleur se déplace vers le rouge. C'est le décalage vers le rouge gravitationnel, connu depuis les travaux d'Einstein.
Un sursaut radio rapide est une brève mais puissante émission d'ondes radio provenant de l'espace lointain. En chemin vers nous, le signal traverse des nuages de gaz ténu, et plus il y a de gaz sur le trajet, plus le signal est étalé en fréquences.
Dans 1433 paires de galaxies dispersées dans le ciel, les astronomes ont remarqué un motif inhabituel. Les voisines situées « au-dessus » ou « en dessous » d'un système stellaire massif contiennent jusqu'à un quart d'oxygène de plus que celles qui se trouvent dans le plan de son disque.
Le chasseur de lumière ancienne — le télescope James Webb — a pointé ses miroirs vers une parcelle minuscule du ciel et a capté un étrange signal. L'objet, nommé de travail beacon_1420-$$5253_{4770}$$, a brillé puis s'est éteint.
Deux villes ont subi une série d'incendies. Dans l'une, le vent disperse les cendres bien au-delà des faubourgs, et le ciel reste clair. Dans l'autre, les cendres retombent en un voile épais, teintant les couchers de soleil de pourpre.
Il y a dix milliards d’années, l’Univers était parsemé d’étranges étincelles écarlates. Le télescope James Webb les a repérées sur les images de lointains décalages vers le rouge — des sources compactes brillant comme des galaxies entières, mais à peine plus grandes qu’une région minuscule en leur centre.
Prédites par Albert Einstein, les ondes gravitationnelles sont des balises dans l'océan sombre du cosmos. Elles jaillissent lors de collisions de trous noirs et parcourent l'Univers en ridant l'espace.
Un petit compagnon, tel un nageur, fend les couches invisibles de gaz dans l'enveloppe gonflée d'une géante rouge. Chaque orbite excite un sillage acoustique — des ondes de compression qui traversent le plasma.
Le fond optique du ciel est un palimpseste cosmique, où la lumière de milliards de galaxies non résolues s'empile en couches correspondant à différentes époques. Jusqu'ici, nous ne distinguions que les « lettres » les plus brillantes — les étoiles individuelles et les galaxies proches.
Lorsqu'une étoile s'approche trop près d'un trou noir supermassif, un requiem cosmique retentit – un événement de rupture de marée. Grâce à la photométrie et à la spectroscopie, les astronomes distinguent chaque instrument de cet orchestre.
En 2016, les astronomes ont vu l'incroyable : une étoile lointaine, nommée Icare, a brillé pendant quelques semaines, traversant l'abîme de l'espace. C'était l'effet de lentille gravitationnelle — un effet prédit par Einstein : un objet massif courbe l'espace-temps et focalise la lumière, telle une loupe géante.
L'énergie noire accélère l'expansion de l'Univers. Or, on a récemment découvert qu'elle n'est pas constante : sa poussée fluctue, comme une pompe qui fonctionne par à-coups. Les relevés DESI ont suggéré un brusque sursaut d'accélération dans un passé proche.
L'explication se passe d'exotisme.
L'orchestre cosmologique ne s'accorde pas sur un seul diapason. Il y a deux groupes d'instruments : les uns écoutent le bourdonnement du jeune univers — le fond diffus cosmologique, les autres lisent les notes sur les galaxies matures et les supernovae.
Chaque sursaut radio rapide est comme un coup de cloche sonore dans le vide. Et dans son tintement qui s'estompe se cache toute la structure de l'espace : sur un trajet de milliards d'années-lumière, l'impulsion radio est légèrement retardée par chaque électron libre rencontré.
Comme un projecteur : de profil, il émet une lumière rouge terne, mais de face, il éblouit en blanc-bleu. C'est exactement ce que sont les mystérieux « petits points rouges » de l'univers primordial : des trous noirs géants tournés vers nous de profil.
Pendant des décennies, deux méthodes indépendantes de mesure de la vitesse d'éloignement des galaxies — la constante de Hubble — ont donné des chiffres contradictoires. La situation évoquait une pièce avec deux thermomètres affichant des températures différentes.
La lumière d'une galaxie lointaine voyage à travers tout l'Univers, contournant d'énormes amas de matière noire et de matière ordinaire. Leur attraction courbe légèrement le trajet des rayons — comme le courant d'une rivière contourne des rochers invisibles.
La lumière la plus ancienne de l'Univers voyage vers nous depuis près de 14 milliards d'années. Elle est née lorsque le cosmos est devenu transparent, et depuis, son plan d'oscillation tourne imperceptiblement. La cause : un océan invisible qui imprègne tout l'espace — le champ d'énergie sombre qui accélère l'expansion de l'Univers.
Les supernovae de type Ia sont les accords finaux, éblouissants, de la symphonie de l'évolution stellaire : lorsqu'une naine blanche franchit la limite prédite par Subrahmanyan Chandrasekhar, elle explose avec une telle luminosité qu'elle éclipse un instant…
La cosmologie traverse une faille tectonique. Les supernovae calibrées par les céphéides, mesurées par l'équipe de Adam Riess, indiquent une vitesse d'environ 73 km/s par mégaparsec.
Les images de James Webb ont capté la lueur étonnamment vive des premières galaxies. Un grille-pain dore une tranche en une minute, tandis qu'un four cuit un pain en une heure — le résultat est le même. Dans l'espace, c'est pareil : les jeunes galaxies émettaient une lumière intense rapidement, comme un grille-pain, plutôt que de cuire des étoiles lentement, comme un four.
Parmi les trésors étincelants de l'Univers primordial capturés par James Webb, certains objets ressemblent à des perles de rubis éparpillées sur du velours noir. Ce sont les « petites points rouges » (LRD) — des sources compactes aux spectres rouges abrupts, abritant des trous noirs supermassifs pouvant atteindre cent millions de masses solaires.
La cosmologie traverse une faille tectonique. Les supernovae calibrées par les céphéides, mesurées par l'équipe de Adam Riess, indiquent une vitesse d'environ 73 km/s par mégaparsec.
Si vous allumez une lampe dans une pièce, elle éclaire les murs. Mais si vous placez la même lampe dans une immense salle, la lumière atteint à peine les coins. De la même manière, le rayonnement des jeunes étoiles agit sur le gaz d'une galaxie : il arrache des électrons aux atomes d'hydrogène, faisant briller le gaz.
Imaginez un immense ballon gonflable sur lequel sont dessinées des galaxies : on le gonfle, le dessin s'étire, les points voisins s'éloignent les uns des autres. La vitesse de cet étirement, c'est la constante de Hubble. D'habitude, les astronomes capturent la lumière d'étoiles lointaines et observent à quel point elle a rougi à cause de l'étirement de l'espace.
Deux points sur la surface d'un ballon — voilà tous les repères dont on dispose quand on essaie de comprendre comment il se gonfle. C'est à peu près ainsi que les cosmologistes reconstruisent l'histoire de l'expansion de l'univers.
Des amas en mouvement de galaxies et de matière noire invisible créent des sillages dans la lueur résiduelle du Big Bang, comme des bateaux qui troublent un étang.
Un peintre fait un portrait coup de pinceau après coup de pinceau, puis on lui propose un appareil photo avec flash : un clic, et c'est fait. C'est à peu près la transition entre les modèles multi-étapes et les modèles en une étape pour la création d'images de galaxies.
Deux étoiles tournent l'une autour de l'autre, comme des danseurs dans une valse lente. Cette danse n'est pas éternelle : les partenaires se rapprochent progressivement jusqu'à ce qu'ils entrent en collision et fusionnent en un seul corps.
La lumière d'une planète lointaine, décomposée en couleurs, fait soudain un bond à la frontière entre le rouge et l'infrarouge invisible — comme si quelqu'un avait actionné un interrupteur.
Une pierre tombe dans un puits, et le plouf nous parvient avec un délai. Quelque chose d'analogue se produit avec la lumière lorsqu'elle s'éloigne de la Terre : ses oscillations se raréfient, le rayon semble « fatigué ». C'est le décalage vers le rouge gravitationnel — un phénomène dont Einstein parlait il y a un siècle.
Deux horloges affichent des heures différentes. L'une est sur notre table, l'autre est loin dans le passé, dans la lueur laissée par le Big Bang. La première, en observant les galaxies proches, mesure la vitesse d'expansion de l'Univers – environ 73 kilomètres par seconde par mégaparsec.
